桥梁桩长计算中的负摩阻力探讨

关于桥梁桩长计算中的负摩阻力探讨摘要当遇到不良地质条件时，桥梁桩基础设计中桩侧负摩阻力对桥梁的安全性、可靠性和经济等方面都有着重要的影响，本文介绍了桩侧负摩阻力产生的原因，影响因素和计算方法。关键词桩基负摩阻力产生原因计算方法中图分类号：k928.78文献标识码：a文章编号：桩基具有承载力高、地质适应性强、施工便捷、沉降小、工期短等优点，采用桩基作为桥梁基础日趋普遍。桩的承载力是由桩底支承力与桩周土体的侧摩阻力两部分组成的。当桩底穿过并支承在各种压缩性土层中时，桩主要依靠桩侧土的摩阻力支承竖向荷载。因此，桩侧摩阻力的大小对结构基础的稳定性起着决定作用。如果桩周土体与桩身表面发生负摩阻力，使桩侧土一部分重量传递给桩，不但不是桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，这是在软弱粘土和湿陷性黄土等地基确定单桩轴向容许承载力时应该注意的。一、产生负摩阻力的条件和原因在桩顶竖向荷载作用下，当桩相对于桩侧土体向下位移时，桩侧土体对桩产生向上作用的摩擦力，称为正摩阻力（图1a），正摩阻力能抵抗桥梁上部结构及桥墩等产生的荷载。但是，当桩侧土体因某种原因而下沉，且其下沉量大于桩的沉降（即桩侧土体相对于桩产生向下的位移）时，土对桩产生向下的摩擦力，称为负摩阻力（图1b），负摩阻力变成施加在桩上的外荷载，相当于增加了作用在桩基上的桥梁上部结构及桥墩等产生的荷载。桩侧负摩阻力问题，本质上和正摩阻力一样，只要得知土与桩之间的相对位移或趋势以及负摩阻力与相对位移之间的关系，就可以了解桩侧负摩阻力的分布和桩身轴力与截面位移了。产生负摩阻力的情况有多种：(1)桩穿过欠固结的软粘土或新填土，由于这些土层在重力作用下的压缩固结，产生对桩身侧面的负摩擦力；(2)在桩侧软土的表面有大面积堆载或新填土(桥头路堤填土)，使桩周的土层产生压缩变形；(3)由于从软弱土层下的透水层中抽水或其它原因，使地下水位下降，土中有效力增大，从而引起桩周土下沉；(4)桩数很多的密集群桩打桩时，使桩周土产生很大的超空隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉；(5)在黄土、冻土中的桩基，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。综上所述，产生负摩阻力的实质原因均为桩侧土体下沉，且其下沉量大于桩的沉降（桩侧土体相对于桩产生向下的位移）所致。二、单桩负摩阻力的计算2．1中性点位置的确定图2（a）表示一根承受竖向荷载的桩，桩身穿过正在固结中的土层而达到坚实土层。图2（b）中，曲线1表示土层不同深度的位移，曲线2表示桩截面的位移曲线，曲线1与曲线2之间的位移差（图中阴影部分）为桩与土层之间的相对位移，曲线1与曲线2的交点（o1点）为桩与土之间不产生相对位移的截面位置，称为中性点。桩身在该点处不受土层摩擦力的作用。图2（c）、（d）分别为桩侧摩阻力和桩身轴力曲线，其中fn负摩阻力的累计值，又称下拉荷载；fp中性点以下正摩阻力累计值。中性点是摩阻力、桩与土层之间相对位移和桩身轴力沿桩身变化的特征点。在中性点o1点之上，土层产生相对于桩身的向下的位移，出现负摩阻力τnz，桩身轴力虽深度递增；中性点o1点之下，土层产生相对于桩身的向上的位移，出现正摩阻力τz，桩身轴力虽深度递减。在中性点处桩身达到最大值（q+fn）,而在桩尖处总阻力则为q+（fn-fp）。可见桩的负摩阻力的发生，将使桩侧土的部分重力和地面荷载通过负摩阻力传递给桩，因此桩的负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而相当于施加于桩上的外荷载，这就必然导致桩的承载力相对降低，桩基础沉降过大。图2由于桩侧摩阻力是由桩周围土层的固结沉降引起的，因此负摩阻力的产生和发展要经历一个时间过程，这一过程的长短取决于桩自身沉降完成时间和桩周围土的固结完成时间。土层的竖向位移和桩的沉降都是时间的函数，即h土＝f（t），h桩＝f（t）。因此中性点的位置、摩阻力以及桩身轴力都将随时间而有所变化。由于中性点位置是时间的函数，只有当桩与桩侧土的沉降都趋于稳定时，中性点才稳定在某一个固定深度ln处，所以要精确确定中性点的位置比较困难。目前多采用近似的估算方法，或采用一定的试验结果得出经验值。工程实测表明，在可压缩土层lo的范围内，中性点的稳定深度ln是随桩端持力层的强度和刚度的增大而增加的，其深度比ln/lo可按下表经验值取用中性点深度ln持力层性质黏性土、粉土中密以上砂砾石、卵石基岩深度比ln/lo0.5-0.60.7-0.80.91.0注：桩穿越自重湿陷性黄土层时，ln按表列值增大10％（持力层为基岩除外）。2．2单桩负摩阻力计算桩土间的粘着力和桩的负摩阻力强度取决于土的抗剪强度。桩的负摩阻力虽有时效，但从安全角度考虑，可取用其最大值以土的强度来计算。国内外大多采用近似地经验公式计算。这些公式中有些参数采集困难，有些计算非常烦琐。一般利用有效应力法的原理就能方便准确地计算出桩的负摩阻力。公式为：其中：为桩基的负摩阻力；f为负摩阻力强度值；ξ为有效侧压力qk与桩周剪切阻力的系数；p为桩周长；k为侧向土压力系数；q为任一深度h处的有效自重应力；h为计算深度。对于软粘土层的负摩阻力强度计算，可按太沙基所建议的方法来计算，即:f＝qu/2式中：f—负摩阻力强度（kpa）qu—软粘土层的无侧限抗压强度（kpa）。对于位于软弱土层上的的其他土层，由于软弱粘土层下沉，也将对桩产生向下作用的负摩阻力。可用β法来计算由此产生对桩的负摩阻力，即：式中：—竖向有效应力（kpa）;—土的有效容重（kn/m3）;—计算点深度（m）;—土的侧压力系数;—计算处土的有效内摩擦角;—系数，＝0.2-0.5。负摩阻力系数土类土类饱和软土粘性土、粉土0.15—0.250.25—0.40砂土自重湿陷性黄土0.35—0.50.2—0.35求得负摩阻力强度f后，将其乘以产生负摩阻力深度范围内桩身表面积，则可得到作用于桩身总得负摩阻力nf，即：nf＝fahf式中：ahf—产生负摩阻力深度h范围内桩身表面积ahf＝2πrh。r—桩截面的半径。按照上式计算得作用于单桩总的负摩阻力nf值不应大于单桩所分配承受的桩周围下沉土重（按相邻桩距的一半，深度为中性点深度h）。验算单桩承载时，负摩阻力nf作为荷载计，计算单桩容许承载力[p]时，只计正摩阻力，即：p+nf≤[p][p]=(pf+pb)/2式中：p—桩顶轴向荷载（kn）；pf—桩侧极限正摩阻力（kn）；pb—桩底极限阻力（kn）。三、减少负摩阻力的措施桩周负摩阻力产生的后果是：使桩的负荷过大，造成桩基沉降加剧，从而影响上部结构的安全。因此，需要针对不同的工程情况，采取相应的不同措施。1、对预计会产生桩周负摩阻力的打入桩、震动下沉桩，可在打入前在负摩阻力区域的桩周涂抹沥青、油漆或其他能降低摩擦阻力的涂料，或在可能产生负摩阻力的桩段，采用预制表面光滑的桩身。其本质为改变土层与接触面的摩擦系数。2、对于未固结软土或新填土层中的桩基础，在施工桩基础之前，可先对土层进行预压，使之加快固结速度，减少沉降历时，从而降低负摩阻力的影响。3、尽量减小穿过产生负摩阻力区域的桩侧面积，在可能的情况下采用细长桩。总之，减小负摩阻力的措施主要从以下几个方面入手：a）减小中性点以上桩侧土体与接触面的摩擦系数、接触面积；b）加快桩侧土体的固结速度，尽快完成沉降过程；c）施工过程中禁止在桩侧土表面堆砌大面积堆载以减少外部荷载对负摩阻力的影响。综上所述，在有可能产生桩周负摩阻力的桩基础中，只有在设计、施工时从措施上均考虑周到了，才能变被动为主动，从而保证工程安全。注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。